Science：利用241种哺乳动物的基因组确定了胎盘哺乳动物的进化时间表

在一项新的研究中，来自美国德州农工大学等研究机构的研究人员平息了关于哺乳动物多样化历史的激烈科学争论，因为这与非鸟类恐龙的灭绝有关。他们的研究为哺乳动物在过去1亿年中的进化时间表提供了一个明确的答案。相关研究结果发表在2023年4月28日的Science期刊上，论文标题为“A genomic timescale for placental mammal evolution”。

这项新的研究是Zoonomia项目（Zoonomia Project）发布的一系列文章的一部分。Zoonomia项目是一个由来自全球各地的科学家组成的联盟，正在利用有史以来最大的哺乳动物基因组数据集，在哺乳动物进化史的背景下确定人类基因组的进化历史。他们的最终目标是更好地确定人类和其他物种的性状和疾病的遗传基础。

在论文通讯作者、德州农工大学兽医综合生物科学系教授William J. Murphy博士和论文第一作者、Murphy实验室的副研究科学家Nicole Foley博士的领导下，这项新的研究植根于系统发育学，这是生物学的一个分支，研究现存和灭绝生物的进化关系和多样化。

Foley分享道，“中心论点是关于胎盘哺乳动物（在胎盘内发育的哺乳动物）是在让非鸟类恐龙灭绝的白垩纪-古近纪（Cretaceous-Paleogene, 简称K-Pg）大灭绝事件之前还是之后分化的。由于Zoonomia项目涵盖的巨大范围，我们只能进行新的分析，我们回答了哺乳动物在何时何地多样化和进化与K-Pg大灭绝有关的问题。”

胎盘哺乳动物进化的时间。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.abl8189。

这项新的研究是与加州大学戴维斯分校、加州大学河滨分校和美国自然历史博物馆的合作者一起进行的，结论是哺乳动物在K-Pg大灭绝之前就开始了多样化，这是大陆漂移的结果，大陆漂移导致地球上的陆地在数百万年内漂移开来，又重新聚在一起。另一次物种多样化紧接着K-Pg大灭绝事件之后发生，这让哺乳动物有更多的空间、资源和稳定性。

这种加速的物种多样化速度导致了哺乳动物品系的丰富多样性---比如食肉动物、灵长类动物和有蹄类动物---目前共享地球。

这项新的研究是布罗德研究所的Elinor Karlsson和Kerstin Lindblad-Toh领导的Zoonomia项目的一部分。Zoonomia项目还对哺乳动物的基因组进行比较，以了解显著表型---某些基因的表达，如棕色眼睛和蓝色眼睛---的基础以及疾病的起源。

Foley指出，胎盘哺乳动物之间的多样性既表现在它们的身体特征上，也表现在它们的非凡能力上。

她说，“目前的哺乳动物代表了巨大的进化多样性---从微小的大黄蜂蝙蝠的呼啸飞行到巨大的蓝鲸游过地球广阔海洋时的慵懒滑行。多种物种已经进化出回声定位，一些物种产生了毒液，而其他物种已经进化出抗癌和病毒耐受性。”

她继续说，“能够在遗传水平上观察整个哺乳动物物种的共同差异和相似之处，可以帮助我们弄清基因组中对调节基因表达至关重要的部分。在不同的物种中调整这种基因组机制，导致了我们在目前的活体哺乳动物中看到的性状的多样性。”

Murphy分享说，Foley解决的哺乳动物系统发育问题对Zoonomia项目的目标至关重要，该项目旨在利用比较基因组学的力量作为人类医学和生物多样性保护的工具。

他解释说，“Zoonomia项目真地很有影响，因为它是第一次一次性将241种不同的哺乳动物基因组进行配对的分析，并利用这些信息更好地了解人类基因组。把这个大数据集放在一起的主要动力是能够把所有这些基因组与人类基因组进行比较，然后确定人类基因组的哪些部分在哺乳动物的进化历史过程中发生了变化。”

确定基因的哪些部分可以被操纵而不对基因的功能造成伤害，哪些部分不能被改变，对人类医学很重要。Murphy和Foley的同事之一，德州农工大学遗传学家Scott Dindot博士近期在一项发表在Science Translational Medicine期刊上的研究中，使用比较基因组学方法开发了一种分子疗法来治疗安格曼综合征（Angelman syndrome），即一种毁灭性的罕见神经遗传疾病，由大脑中的母体UBE3A基因的功能丧失引发（Science Translational Medicine, 2023, doi:10.1126/scitranslmed.abf4077）。

Dindot团队利用了由Zoonomia项目确定的相同进化限制措施，并将它们应用于确定一种至关重要但以前未知的基因靶标，该靶标可用于挽救人类神经元中UBE3A的表达。

Murphy说，通过使用历史上最大的数据集扩大比较哺乳动物基因组的能力，将有助于为包括猫和狗在内的其他物种的遗传疾病开发更多的治疗方法。

Murphy解释说，“例如，猫的生理适应性根植于独特的突变，使它们能够完全食用对人类极其不健康的高脂肪、高蛋白饮食。对Zoonomia项目的241种物种进行比对的一个美妙之处在于我们可以选择任何物种（不仅仅是人类）作为参考，并确定该物种基因组的哪些部分可以自由变化，哪些部分不能容忍变化。以猫为例，我们也许能够帮助确定这些物种的遗传适应性，从而为人们的心血管疾病找到治疗靶标。”

Foley解释说，“对我来说，作为这个更广泛项目的一部分，最令人欣慰的事情之一是看到有多少不同的研究项目通过将我们的系统发育纳入他们的分析而得到加强。这包括对濒危物种的保护基因组学研究，以及那些研究不同复杂人类特征进化的研究。”

Foley说，明确地回答关于哺乳动物起源时间这一争论激烈的问题，并产生一个扩大的系统发育，为未来几代研究人员奠定基础，这既是有意义的，也是有益的。

她说，“今后，这个大规模的基因组比较及其对哺乳动物基因组进化的历史记录将成为每个人在哺乳动物中提出比较问题时所要做的一切的基础。这个相当不错的。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Nicole M. Foley et al. A genomic timescale for placental mammal evolution. Science, 2023, doi:10.1126/science.abl8189.